DE112020003394T5 - Electrical generator and method of generating an electrical current - Google Patents
Electrical generator and method of generating an electrical current Download PDFInfo
- Publication number
- DE112020003394T5 DE112020003394T5 DE112020003394.5T DE112020003394T DE112020003394T5 DE 112020003394 T5 DE112020003394 T5 DE 112020003394T5 DE 112020003394 T DE112020003394 T DE 112020003394T DE 112020003394 T5 DE112020003394 T5 DE 112020003394T5
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- graphene
- electrical
- electrical generator
- polymer coating
- doped
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 34
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 139
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 135
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 37
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 35
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 35
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 40
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 27
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 22
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 11
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 11
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 7
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 4
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 4
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 4
- IXHWGNYCZPISET-UHFFFAOYSA-N 2-[4-(dicyanomethylidene)-2,3,5,6-tetrafluorocyclohexa-2,5-dien-1-ylidene]propanedinitrile Chemical compound FC1=C(F)C(=C(C#N)C#N)C(F)=C(F)C1=C(C#N)C#N IXHWGNYCZPISET-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 claims description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 claims 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 18
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 13
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 12
- -1 polypropylene Polymers 0.000 description 12
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 11
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 9
- 238000003491 array Methods 0.000 description 6
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 6
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 6
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- NLZUEZXRPGMBCV-UHFFFAOYSA-N Butylhydroxytoluene Chemical compound CC1=CC(C(C)(C)C)=C(O)C(C(C)(C)C)=C1 NLZUEZXRPGMBCV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 5
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 4
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000000927 vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 3
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 2
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RDOXTESZEPMUJZ-UHFFFAOYSA-N anisole Chemical compound COC1=CC=CC=C1 RDOXTESZEPMUJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002852 poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) polymer Polymers 0.000 description 2
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 2
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 2
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- LZJCVNLYDXCIBG-UHFFFAOYSA-N 2-(5,6-dihydro-[1,3]dithiolo[4,5-b][1,4]dithiin-2-ylidene)-5,6-dihydro-[1,3]dithiolo[4,5-b][1,4]dithiine Chemical compound S1C(SCCS2)=C2SC1=C(S1)SC2=C1SCCS2 LZJCVNLYDXCIBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017083 AlN Inorganic materials 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M Bicarbonate Chemical compound OC([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-M Bromide Chemical compound [Br-] CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IOVCWXUNBOPUCH-UHFFFAOYSA-M Nitrite anion Chemical compound [O-]N=O IOVCWXUNBOPUCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-L Phosphate ion(2-) Chemical compound OP([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-N Sulfurous acid Chemical compound OS(O)=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 229910001508 alkali metal halide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000008045 alkali metal halides Chemical class 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000001246 bromo group Chemical group Br* 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 125000001309 chloro group Chemical group Cl* 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 235000013365 dairy product Nutrition 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-M dihydrogenphosphate Chemical compound OP(O)([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 1
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N ether Substances CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 1
- 230000008570 general process Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- UZKWTJUDCOPSNM-UHFFFAOYSA-N methoxybenzene Substances CCCCOC=C UZKWTJUDCOPSNM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000003541 multi-stage reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- 239000002897 polymer film coating Substances 0.000 description 1
- 229920001955 polyphenylene ether Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 150000004756 silanes Chemical class 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000002459 sustained effect Effects 0.000 description 1
- JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N tellanylidenegermanium Chemical compound [Te]=[Ge] JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PCCVSPMFGIFTHU-UHFFFAOYSA-N tetracyanoquinodimethane Chemical compound N#CC(C#N)=C1C=CC(=C(C#N)C#N)C=C1 PCCVSPMFGIFTHU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/185—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators using fluid streams
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/04—Friction generators
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/184—Preparation
- C01B32/186—Preparation by chemical vapour deposition [CVD]
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/06—Influence generators
- H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrischen Generator, der eine oder mehrere Graphenfolien umfasst, wobei jede Graphenfolie einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt umfasst und eine Oberfläche aufweist, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt erstreckt und so angeordnet ist, dass sie mit einer Strömung eines ionenhaltigen Fluids in Kontakt tritt, wobei jede Oberfläche mit einer Polymerbeschichtung mit einer Dicke von weniger als 100 nm versehen istThe present invention relates to an electrical generator comprising one or more graphene sheets, each graphene sheet comprising first and second electrical contacts and having a surface extending between the first and second electrical contacts and arranged to interface with a flow of ion-containing fluid, each surface being provided with a polymeric coating less than 100 nm thick
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Generator und ein Verfahren zum Erzeugen eines elektrischen Stroms. Insbesondere umfasst der elektrische Generator eine oder mehrere Graphenfolien, wobei jede Oberfläche jeder Folie mit einer Polymerbeschichtung versehen ist. Der elektrische Generator kann in einem Verfahren zum Erzeugen eines elektrischen Stroms verwendet werden, indem eine Strömung eines ionenhaltigen Fluids über die Oberfläche geleitet wird, wobei der Generator einen verbesserten elektrischen Ausgangsstrom liefert.The present invention relates to an electrical generator and a method for generating an electrical current. In particular, the electrical generator comprises one or more graphene foils, each surface of each foil being provided with a polymer coating. The electrical generator can be used in a method of generating an electrical current by passing a flow of an ion-containing fluid over the surface, the generator providing an enhanced electrical output current.
Graphen ist ein bekanntes Material mit einer Fülle von vorgeschlagenen Anwendungen, die durch die theoretisch außergewöhnlichen Eigenschaften des Materials getrieben werden. Gute Beispiele für derartige Eigenschaften und Anwendungen sind ausführlich in ,The Rise of Graphene‘ von A. K. Geim und K. S. Novoselev, Nature Materials, Band 6, 183-191, März 2007, und in der Fokusausgabe von Nature Nanotechnology, Band 9, Ausgabe 10, Oktober 2014, beschrieben.Graphene is a well-known material with a plethora of proposed applications driven by the material's theoretically exceptional properties. Good examples of such properties and applications are detailed in 'The Rise of Graphene' by A.K. Geim and K.S. Novoselev, Nature Materials, Vol 6, 183-191, March 2007, and in the focus issue of Nature Nanotechnology, Vol 9, Issue 10, October 2014, described.
Das Verfahren von
Graphen wird für eine Reihe potenzieller Anwendungen untersucht, unter anderem für die Verwendung in einer Reihe von Energievorrichtungen einschließlich Solarzellen, Superkondensatoren und Lithium-Ionenbatterien. Von besonderem Interesse sind graphenbasierte elektrische Generatoren, die die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie ermöglichen.Graphene is being explored for a number of potential applications, including use in a range of energy devices including solar cells, supercapacitors and lithium-ion batteries. Of particular interest are graphene-based electrical generators that enable mechanical energy to be converted into electrical energy.
Zu den Vorteilen derartiger Vorrichtungen, die in der Lage sind, mechanische Energie aus der Umgebung zu gewinnen und in elektrische Energie umzuwandeln, gehören die Rückgewinnung von ansonsten verschwendeter Energie und deren Umwandlung in nutzbare Energie. Diese Vorrichtungen arbeiten auf Basis des „triboelektrischen Effekts“. Die Vorrichtung erzeugt elektrische Ladungen, die dann unter mechanischer Einwirkung getrennt werden, und die durch die Trennung erzeugte Potenzialdifferenz kann den Elektronenfluss antreiben. Derartige Vorrichtungen werden auch als triboelektrische Nanogeneratoren bezeichnet.The advantages of such devices, being able to harvest mechanical energy from the environment and convert it into electrical energy, include the recovery of otherwise wasted energy and its conversion into usable energy. These devices work on the basis of the "triboelectric effect". The device creates electrical charges, which are then separated under mechanical action, and the potential difference created by the separation can drive the flow of electrons. Such devices are also referred to as triboelectric nanogenerators.
Diese Vorrichtungen nach dem Stand der Technik beruhen auf dem Kontakt einer Graphenoberfläche mit einem triboelektrischen Material. Es wurde auch gezeigt, dass es möglich ist, die mechanische Energie sich bewegender ionischer Flüssigkeiten in elektrische Energie umzuwandeln, indem eine Graphen-Flüssigkeit-Grenzfläche verwendet wird, wodurch eine alternative Methode zur Stromerzeugung bereitgestellt wird.These prior art devices rely on the contact of a graphene surface with a triboelectric material. It has also been shown that it is possible to convert the mechanical energy of moving ionic liquids into electrical energy using a graphene-liquid interface, providing an alternative method for power generation.
Mechanism of Electric Power Generation from lonic Droplet Mention on Polymer Supported Graphene von S. Yang et al. (J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 13746-13752) betrifft eine polymergetragene Graphenmonoschichtvorrichtung zur Erzeugung elektrischer Spannung. Der graphenbasierte elektrische Generator wandelt die mechanische Energie einer Strömung ionischer Tröpfchen über die Oberfläche der Vorrichtung in Elektrizität um. Es wird eine Vorrichtung offenbart, die ein Substrat (wie Siliciumdioxid), ein auf einer Oberfläche des Substrats (wie PMMA oder PET) angeordnetes Polymer, und eine auf einer Oberfläche des Polymers angeordnete Graphenmonoschicht und darauf angeordnete Elektroden umfasst.Mechanism of Electric Power Generation from lonic Droplet Mention on Polymer Supported Graphene by S. Yang et al. (J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 13746-13752) relates to a polymer-supported graphene monolayer device for voltage generation. The graphene-based electrical generator converts the mechanical energy of a flow of ionic droplets across the device's surface into electricity. A device is disclosed comprising a substrate (such as silicon dioxide), a polymer disposed on a surface of the substrate (such as PMMA or PET), and a graphene monolayer disposed on a surface of the polymer and electrodes disposed thereon.
Die britische Patentanmeldung Nr.
Es besteht jedoch nach wie vor ein Bedarf an effizienteren Nanogeneratoren, die in der Lage sind, eine höhere Ausgangsspannung bereitzustellen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte elektrische Generatoren und Verfahren zum Erzeugen elektrischer Ströme bereitzustellen, um die mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme zu überwinden oder wesentlich zu reduzieren oder um zumindest eine kommerziell praktikable Alternative dazu bereitzustellen.However, there is still a need for more efficient nanogenerators capable of providing a higher output voltage. It is an object of the present invention to provide improved electrical generators and methods of generating electrical currents to overcome or substantially reduce the problems associated with the prior art, or at least to provide a commercially viable alternative thereto.
Die Erfinder haben entdeckt, dass ein elektrischer Generator wie hierin beschrieben eine längere Lebensdauer aufweist und eine verbesserte elektrische Stromabgabe über einen längeren Zeitraum ohne Beschädigung oder Verschlechterung der Vorrichtung und/oder der Oberfläche der Graphenfolie bereitstellt. Mit anderen Worten, der Generator behält eine größere Stabilität in Bezug auf die elektrische Leistungsabgabe bei.The inventors have discovered that an electrical generator as described herein has a longer lifespan and provides improved electrical current output over a longer period of time without damage or degradation of the device and/or the surface of the graphene sheet. In other words, the generator maintains greater stability in terms of electric power output.
Dementsprechend wird in einem ersten Aspekt ein elektrischer Generator bereitgestellt, der eine oder mehrere Graphenfolien umfasst, wobei jede Graphenfolie einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt umfasst und eine Oberfläche aufweist, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt erstreckt und so angeordnet ist, dass sie mit einer Strömung eines ionenhaltigen Fluids in Kontakt tritt, wobei jede Oberfläche mit einer Polymerbeschichtung mit einer Dicke von weniger als 100 nm versehen ist. Es gibt keine spezifische Untergrenze für die Dicke, vorausgesetzt, dass ein gleichmäßiger Film über der Oberfläche gebildet werden kann. Bevorzugte Dicken reichen von 1 bis einschließlich 75 nm, vorzugsweise 5 bis 50 nm und am stärksten bevorzugt 10 bis 20 nm.Accordingly, in a first aspect there is provided an electrical generator comprising one or more graphene sheets, each graphene sheet comprising first and second electrical contacts and having a surface extending between the first and second electrical contacts and arranged so that it contacts a flow of ion-containing fluid, each surface being provided with a polymer coating with a thickness of less than 100 nm. There is no specific lower limit on thickness provided a uniform film can be formed over the surface. Preferred thicknesses range from 1 to 75 nm inclusive, preferably 5 to 50 nm and most preferably 10 to 20 nm.
Die vorliegende Offenbarung wird nun weiter beschrieben. In den folgenden Passagen werden verschiedene Aspekte/Ausführungsformen der Offenbarung näher definiert. Jede(r) somit definierte Aspekt/Ausführungsform kann mit jedem/jeder/allen anderen Aspekt/Ausführungsform oder Aspekten/Ausführungsformen kombiniert werden, sofern nicht eindeutig das Gegenteil angegeben ist. Insbesondere kann jedes als bevorzugt oder vorteilhaft angegebene Merkmal mit jedem/allen anderen als bevorzugt oder vorteilhaft angegebenen Merkmal/ Merkmalen kombiniert werden.The present disclosure will now be further described. Various aspects/embodiments of the disclosure are defined in more detail in the following passages. Any aspect/embodiment thus defined may be combined with any other aspect/embodiment or aspects/embodiments unless clearly stated to the contrary. In particular, each feature indicated as preferred or advantageous can be combined with any/all other feature(s) indicated as preferred or advantageous.
Der elektrische Generator umfasst eine oder mehrere Graphenfolien. Eine Graphenfolie kann eine einzelne Graphenmonoschicht sein. Vorzugsweise umfassen Graphenfolien, wie hierin beschrieben, mehrere Graphenmonoschichten in einer Graphenschichtstruktur. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der elektrische Generator eine oder mehrere Graphenfolien, wobei jede Graphenfolie eine Graphenschichtstruktur aufweist, die 1 bis 50 Graphenschichten umfasst.The electric generator includes one or more graphene foils. A graphene sheet can be a single graphene monolayer. Preferably, as described herein, graphene sheets comprise multiple graphene monolayers in a graphene layered structure. In a preferred embodiment, the electrical generator comprises one or more graphene sheets, each graphene sheet having a graphene layered structure comprising 1 to 50 graphene layers.
Die Bereitstellung hochwertiger Graphenfolien ist maßgeblich für die Anwendung der Erfindung. Insbesondere für einige Anwendungen ist maßgeblich, dass die Folien ausreichend groß sind, um eine kostengünstige Lösung bereitzustellen. Bei anderen Anwendungen ist maßgeblich, dass die Graphenfolien so dünn sind, dass sie optisch transparent sind. Bei noch anderen Anwendungen ist maßgeblich, dass die Graphenfolien ausreichend robust sind, d. h. im Wesentlichen frei von Schwächen sind, die von strukturellen Unzulänglichkeiten herrühren.The provision of high-quality graphene foils is essential for the application of the invention. For some applications in particular, it is crucial that the foils are large enough to provide a cost-effective solution. For other applications, it is crucial that the graphene foils are so thin that they are optically transparent. In still other applications, it is essential that the graphene sheets are sufficiently robust, ie essentially free from weaknesses resulting from structural imperfections.
Die hier beschriebenen Graphenfolien können dotiert oder undotiert sein. Vorzugsweise sind die Graphenfolien dotiert. Graphenfolien können mit einem n-Typ-Dotierstoff oder einem p-Typ-Dotierstoff dotiert sein. Dotierstoffe vom n-Typ sind Elektronen abgebende Elemente, während Dotierstoffe p-Typ Elektronen aufnehmende Elemente sind. Gängige Graphen-Dotierstoffe sind unter anderem Magnesium (Mg), Zink (Zn), Bor (B), Silicium (Si), Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Sauerstoff (O), Fluor (F), Chlor (CI), Brom (Br) und Kombinationen davon. Vorzugsweise sind die Graphenfolien n-dotiert und/oder p-dotiert. Noch stärker bevorzugt sind die Graphenfolien mit einem oder mehreren von Mg, N, P und Br dotiert.The graphene sheets described here can be doped or undoped. The graphene foils are preferably doped. Graphene sheets can be doped with an n-type dopant or a p-type dopant. N-type dopants are electron donating elements, while p-type dopants are electron accepting elements. Common graphene dopants include magnesium (Mg), zinc (Zn), boron (B), silicon (Si), nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), oxygen (O), fluorine (F ), chloro (CI), bromo (Br), and combinations thereof. The graphene foils are preferably n-doped and/or p-doped. Even more preferably, the graphene sheets are doped with one or more of Mg, N, P, and Br.
Der elektrische Generator kann mehr als eine Graphenfolie umfassen. Vorzugsweise umfasst der elektrische Generator eine Vielzahl von Graphenfolien. Diese Graphenfolien werden dann in einem Array angeordnet, in dem jede Graphenfolie mit mindestens einer weiteren Graphenfolie in elektrischem Kontakt steht. Array soll eine Struktur bezeichnen, bei der die Graphenfolien so angeordnet sind, dass eine Kante nahe der Kante einer anderen liegt, im Gegensatz zum Stapeln von derartigen Folien, so dass die Oberflächen der Graphenfolien nahe beieinander liegen.The electrical generator may include more than one graphene sheet. Preferably, the electrical generator includes a plurality of graphene foils. These graphene sheets are then arranged in an array in which each graphene sheet is in electrical contact with at least one other graphene sheet. Array is intended to denote a structure in which the graphene sheets are arranged so that one edge is close to the edge of another, as opposed to stacking such sheets so that the surfaces of the graphene sheets are close together.
Es versteht sich, dass die Anzahl der Verbindungen davon abhängig ist, ob die Folien parallel oder in Reihe geschaltet sind und wo sich jede Folie in dem Array befindet. Eine Folie in der Mitte einer Kette hat mindestens zwei Verbindungen zu einer benachbarten Graphenfolie, während eine Folie am Ende einer Kette möglicherweise nur eine einzige Verbindung zu einer weiteren Folie und einen Kontakt zum Verbinden mit einem externen Stromkreis aufweist.It will be appreciated that the number of connections depends on whether the foils are connected in parallel or in series and where each foil is located in the array. A sheet in the middle of a chain has at least two connections to an adjacent graphene sheet, while a sheet at the end of a chain may only have a single connection to another sheet and a contact to connect to an external circuit.
Vorzugsweise stehen die Graphenfolien in Reihe oder parallel in elektrischem Kontakt. Dies kann den erzeugten Strom oder die erzeugte Spannung beeinflussen. Das heißt, das Ändern der Konfiguration der elektrischen Verbindungen zwischen den Folien in einem gegebenen Array kann ein Abstimmen der Spannung und/oder des Stroms ermöglichen, die von dem Array erzeugt werden.Preferably, the graphene foils are in electrical contact in series or in parallel. This can affect the current or voltage generated. That is, changing the configuration of the electrical connections between the foils in a given array can allow for tuning of the voltage and/or current produced by the array.
Um den Platzbedarf innerhalb des Arrays, das keinen elektrischen Generator umfasst, zu minimieren, sind die Vielzahl von Graphenfolien vorzugsweise in einer Mosaikform angeordnet. Vorzugsweise ist die Mosaikform hexagonal, quadratisch oder rechteckig. Dies maximiert die Fläche des Arrays, die in der Lage ist, einen elektrischen Strom zu erzeugen, und erhöht daher die Stromabgabe für einen elektrischen Generator einer gegebenen Größe im Vergleich zu einem, der ein Array der Graphenfolien in einer anderen als der Mosaikform umfasst.In order to minimize the space requirement within the array, which does not include an electrical generator, the plurality of graphene sheets are preferably arranged in a mosaic form. Preferably the mosaic shape is hexagonal, square or rectangular. This maximizes the area of the array capable of generating an electric current and therefore increases the current output for an electric generator of a given size compared to one comprising an array of the graphene sheets in a non-mosaic shape.
Das Array kann planar oder annähernd planar sein, wenn es in einer planaren Vorrichtung wie einem Solarmodul oder einem Fenster verwendet wird. Alternativ kann das Array gekrümmt sein, wenn es in einer gekrümmten Vorrichtung, wie beispielsweise auf einer Rohroberfläche, verwendet wird.The array can be planar or nearly planar when used in a planar device such as a solar panel or window. Alternatively, the array may be curved when used in a curved device, such as on a pipe surface.
Graphenfolien können durch Verfahren wie Flüssigexfoliation, Festexfoliation, Oxidation-Exfoliation-Reduktion und Interkalation-Exfoliation hergestellt werden. Bei diesen Verfahren wird in der Regel loses Graphit als Ausgangs-Rohmaterial verwendet, das auf Exfoliation (bei einem Top-Down-Ansatz) als dem Verfahren beruht, mit dem einzelne Graphenfolien von der losen Masse getrennt werden. Wenn eine freie Graphenschicht bereitgestellt wird, kann diese auf ein Substrat geklebt werden. Graphen kann unter Verwendung von Techniken der chemischen Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition - CVD) hergestellt werden. Vorzugsweise wird eine Graphenschichtstruktur durch Gasphasenepitaxie (Vapour Phase Epitaxy - VPE) und/oder durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition - MOCVD) hergestellt. Graphen wird vorzugsweise durch das in
MOCVD ist ein Begriff, der verwendet wird, um ein System zu beschreiben, das für ein bestimmtes Verfahren zum Abscheiden von Schichten auf einem Substrat verwendet wird. Während das Akronym für metallorganische chemische Gasphasenabscheidung steht, ist MOCVD ein Fachbegriff und bezieht sich auf den allgemeinen Prozess und die dafür verwendete Vorrichtung und wird nicht notwendigerweise als auf die Verwendung von metallorganischen Reaktanten oder auf die Herstellung von metallorganischen Materialien beschränkt angesehen. Stattdessen weist die Verwendung dieses Begriffs den Fachmann auf einen allgemeinen Satz von Prozess- und Vorrichtungsmerkmalen hin. Ferner unterscheidet sich MOCVD aufgrund der Systemkomplexität und der Genauigkeit von CVD-Techniken. Während CVD-Techniken die Durchführung von Reaktionen mit einfachen Stöchiometrien und Strukturen ermöglichen, ermöglicht die MOCVD die Herstellung komplizierter Stöchiometrien und Strukturen. Ein MOCVD-System unterscheidet sich von einem CVD-System zumindest durch die Gasverteilungssysteme, die Heizungs- und Temperaturregelungssysteme und die chemischen Regelungssysteme. Ein MOCVD-System kostet typischerweise mindestens das 10-Fache eines typischen CVD-Systems. CVD-Techniken können nicht verwendet werden, um Graphenschichtstrukturen von hoher Qualität zu erzielen.MOCVD is a term used to describe a system used for a specific process of depositing layers on a substrate. While the acronym stands for organometallic chemical vapor deposition, MOCVD is a technical term and refers to the general process and apparatus used for it and is not necessarily considered to refer to the use of organometallic reactants or to the production of organometallic materials viewed as limited. Instead, use of this term directs those skilled in the art to a general set of process and device characteristics. Furthermore, MOCVD differs from CVD techniques due to system complexity and accuracy. While CVD techniques allow reactions with simple stoichiometries and structures to be carried out, MOCVD enables the fabrication of complicated stoichiometries and structures. A MOCVD system differs from a CVD system at least in the gas distribution systems, the heating and temperature control systems, and the chemical control systems. A MOCVD system typically costs at least 10 times that of a typical CVD system. CVD techniques cannot be used to achieve high quality graphene layered structures.
MOCVD kann auch leicht von Techniken der Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition - ALD) unterschieden werden. Die ALD beruht auf schrittweisen Reaktionen von Reagenzien mit dazwischenliegenden Spülschritten, die verwendet werden, um unerwünschte Nebenprodukte und/oder überschüssige Reagenzien zu entfernen. Sie beruht nicht auf Zersetzung oder Dissoziation des Reagens in der Gasphase. Sie ist insbesondere bei Verwendung von Reagenzien mit niedrigen Dampfdrücken wie Silanen ungeeignet, deren Entfernung aus der Reaktionskammer zu viel Zeit in Anspruch nehmen würde. Das Züchten von Graphen mittels MOCVD wird in
Graphen, das durch Verfahren vom MOCVD-Typ, wie hierin beschrieben, hergestellt wurde, kann im Vergleich zu Graphen, das durch andere bekannte Verfahren (wie zum Beispiel auf Exfoliation basierende Verfahren) hergestellt wurde, verbesserte Eigenschaften aufweisen. Graphen kann mit einer Korngröße von mehr als 20 um hergestellt werden. Graphen kann so hergestellt werden, dass es ein 6 Zoll (15 cm) großes Substrat mit nicht nachweisbaren Unterbrechungen bedeckt. Der elektrische Generator umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Graphenfolien, die durch Abscheidung von Graphen auf einer Oberfläche eines Substrats durch MOCVD oder CVD, noch stärker bevorzugt durch MOCVD, gewonnen werden können.Graphene made by MOCVD-type methods as described herein may have improved properties compared to graphene made by other known methods (such as exfoliation-based methods). Graphene can be produced with a grain size larger than 20 µm. Graphene can be made to cover a 6 inch (15 cm) substrate with undetectable discontinuities. The electric generator preferably comprises one or more graphene foils, which can be obtained by depositing graphene on a surface of a substrate by MOCVD or CVD, even more preferably by MOCVD.
Die Oberfläche des Substrats kann ein Halbleitermaterial, vorzugsweise ein III-V-Halbleitermaterial, umfassen. Ill-V-Halbleitersubstrate können binäre III-V-Halbleitersubstrate wie etwa GaN, AIN und InAs und auch tertiäre, quaternäre III-V-Halbleitersubstrate und solche höherer Ordnung wie etwa InGaN, InGaAs, AlGaN, InGaAsP umfassen. Vorzugsweise umfasst das Substrat einen Träger, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silicium (Si), Siliciumdioxid (SiO2), Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (SiN), Saphir (Al2O3) oder einem Ill-V-Halbleiter besteht.The surface of the substrate may comprise a semiconductor material, preferably a III-V semiconductor material. III-V semiconductor substrates may include III-V binary semiconductor substrates such as GaN, AlN and InAs and also III-V tertiary, quaternary and higher order semiconductor substrates such as InGaN, InGaAs, AlGaN, InGaAsP. Preferably, the substrate comprises a support selected from the group consisting of silicon (Si), silicon dioxide (SiO 2 ), silicon carbide (SiC), silicon nitride (SiN), sapphire (Al 2 O 3 ) or a III-V semiconductor exists.
Jede Graphenfolie umfasst mindestens einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt. Jeder elektrische Kontakt kann durch ein beliebiges im Stand der Technik bekannte Verfahren hergestellt werden. Typischerweise ist der elektrische Kontakt ein leitfähiger Metallkontakt, der durch die Abscheidung eines Metalls, das Kupfer, Gold, Nickel, Palladium, Platin, Silber, Titan oder Kombinationen davon umfassen kann, auf einer Graphenfolie gebildet wird, die mit einer strukturierten Fotolack-Polymerschicht beschichtet ist. Anschließend erfolgt die Beseitigung des überschüssigen Metalls, das auf der Oberfläche des Fotolacks abgeschieden wurde, mit einem „Lift-Off“-Verfahren.Each graphene sheet includes at least a first and a second electrical contact. Each electrical contact can be made by any method known in the art. Typically, the electrical contact is a conductive metal contact formed by the deposition of a metal, which may include copper, gold, nickel, palladium, platinum, silver, titanium, or combinations thereof, onto a graphene sheet coated with a patterned photoresist polymer layer is. The excess metal deposited on the surface of the photoresist is then removed using a “lift-off” process.
Es versteht sich, dass eine spezielle Position und Anordnung der Kontakte die Strömung des Fluids über die Graphenoberfläche beeinflussen kann. Dementsprechend kann die bevorzugte Anordnung der Kontakte zwischen bestimmten Vorrichtungen, in die das Array eingebaut wird, variieren.It is understood that a specific position and arrangement of the contacts can affect the flow of fluid across the graphene surface. Accordingly, the preferred placement of the contacts may vary between particular devices into which the array is incorporated.
Insbesondere können Kontakte, die die Fluidströmung behindern, zu einer nicht-laminaren Strömung führen und die erzeugte elektrische Leistung mindern. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kontakte so angeordnet, dass eine solche nicht-laminare Strömung vermieden wird. Unter der Anordnung der Kontakte wäre sowohl die Form der Kontakte als auch die Position der Kontakte auf der Folie zu verstehen.In particular, contacts that impede fluid flow can result in non-laminar flow and reduce the electrical power generated. In a preferred embodiment, the contacts are arranged to avoid such non-laminar flow. The arrangement of the contacts would mean both the shape of the contacts and the position of the contacts on the foil.
Jede Graphenfolie umfasst vorzugsweise nur eine erste und eine zweite Elektrode und keine weiteren Elektroden. Die Graphenfolie, die mindestens einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt umfasst, weist eine Oberfläche auf, die sich zwischen den beiden Kontakten erstreckt. In einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich der erste und der zweite elektrische Kontakt an distalen Abschnitten jeder Graphenfolie. Es ist offensichtlich, dass Graphenfolien möglicherweise keine idealisierte Form (wie etwa einen Kreis oder ein Quadrat) aufweisen, und daher wird der Durchschnittsfachmann leicht die Bedeutung der ersten und der zweiten Elektrode, die an distalen Abschnitten jeder Graphenfolie angeordnet sind, erkennen. Distale Abschnitte jeder Graphenfolie sollen bedeuten, dass der erste und der zweite elektrische Kontakt so angeordnet sind, dass sie einen im Wesentlichen maximalen Abstand zwischen sich aufweisen. Mit anderen Worten, bei einer ungefähr kreisförmigen Graphenfolie können die elektrischen Kontakte ungefähr auf dem Umfang, getrennt durch einen Abstand angeordnet sein, der dem Durchmesser ungefähr gleich ist. Bei einer ungefähr rechteckigen Graphenfolie können die elektrischen Kontakte ungefähr in diagonal gegenüberliegenden Ecken angeordnet sein. Dadurch kann eine größere Oberfläche erzielt werden, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt erstreckt.Each graphene foil preferably comprises only a first and a second electrode and no other electrodes. The graphene sheet, which includes at least a first and a second electrical contact, has a surface that extends between the two contacts. In a preferred embodiment, the first and second electrical contacts are on distal portions of each graphene sheet. It is apparent that graphene sheets may not have an idealized shape (such as a circle or a square) and therefore those of ordinary skill in the art will readily appreciate the importance of the first and second electrodes located at distal portions of each graphene sheet. Distal portions of each graphene sheet are intended to mean that the first and second electrical contacts are arranged to have a substantially maximum spacing therebetween. In other words, with a roughly circular graphene sheet, the electrical contacts can be roughly the circumference, separated by a distance approximately equal to the diameter. For an approximately rectangular graphene sheet, the electrical contacts may be located approximately at diagonally opposite corners. This can result in a larger surface area extending between the first and second electrical contacts.
Die Oberfläche der Graphenfolie, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt erstreckt, ist so angeordnet, dass sie mit einer Strömung eines ionenhaltigen Fluids in Kontakt tritt. Mit anderen Worten, die Oberfläche der Graphenfolie ist so positioniert, dass ein ionenhaltiges Fluid, das sich in Bewegung befindet, mit der Graphenfolie in Kontakt kommen kann. Der graphenbasierte elektrische Generator ist in der Lage, die mechanische Energie der Strömung des ionenhaltigen Fluids über die Oberfläche der Graphenfolie in elektrische Energie umzuwandeln.The surface of the graphene foil extending between the first and second electrical contacts is arranged to contact a flow of ion-containing fluid. In other words, the surface of the graphene sheet is positioned so that an ion-containing fluid that is in motion can come into contact with the graphene sheet. The graphene-based electrical generator is able to convert the mechanical energy of the flow of ion-containing fluid over the graphene sheet surface into electrical energy.
Das ionenhaltige Fluid kann ein beliebiges Fluid sein, das lonenspezies umfasst. Das heißt, der Begriff soll nicht auf Salzschmelzen beschränkt sein, sondern soll Lösungen umfassen, die geladene Spezies enthalten, insbesondere Meerwasser oder Regenwasser sowie Abfallfluide, wie industrielle oder landwirtschaftliche Abwässer, Abflüsse aus Chemieanlagen oder Kraftwerken. Vorzugsweise ist das ionenhaltige Fluid eine ionenhaltige Flüssigkeit. Vorzugsweise kann die ionenhaltige Flüssigkeit ein ionenhaltiger Alkohol, ein Ester, Wasser oder Kombinationen davon sein. Am stärksten bevorzugt ist die ionenhaltige Flüssigkeit ein ionenhaltiges Wasser.The ionic fluid can be any fluid that includes ionic species. That is, the term is not intended to be limited to molten salts, but is intended to encompass solutions containing charged species, particularly seawater or rainwater, as well as waste fluids such as industrial or agricultural effluents, chemical plant or power plant effluents. Preferably, the ionic fluid is an ionic liquid. Preferably, the ionic liquid can be an ionic alcohol, an ester, water, or combinations thereof. Most preferably, the ionic liquid is ionic water.
Die lonenspezies kann jede Spezies sein, die beim Auflösen in dem Fluid mindestens einen Anteil getrennter Ionen bildet. Vorzugsweise weist das ionenhaltige Fluid einen pH-Wert von mehr als 1 und/oder weniger als 14, stärker bevorzugt von mehr als 4 und weniger als 10, auf. Vorzugsweise sind die lonenspezies anorganische Salze, vorzugsweise anorganische Salze, die beim Auflösen in dem Fluid im Wesentlichen vollständig dissoziieren. In einer bevorzugten Ausführungsform hat das ionenhaltige Fluid eine lonenstärke von mehr als etwa 0,005 M, vorzugsweise mehr als etwa 0,001 M, stärker bevorzugt mehr als etwa 0,01 M, noch stärker bevorzugt mehr als etwa 0,1 M und am stärksten bevorzugt mehr als etwa 0,5 M, wie etwa bis zu 8 M.The ionic species can be any species that, when dissolved in the fluid, forms at least a proportion of separate ions. Preferably the ionic fluid has a pH greater than 1 and/or less than 14, more preferably greater than 4 and less than 10. Preferably, the ionic species are inorganic salts, preferably inorganic salts that substantially completely dissociate when dissolved in the fluid. In a preferred embodiment, the ionic fluid has an ionic strength greater than about 0.005M, preferably greater than about 0.001M, more preferably greater than about 0.01M, even more preferably greater than about 0.1M, and most preferably greater than about 0.5M, such as up to 8M.
Vorzugsweise ist das ionenhaltige Fluid eine wässrige Lösung von Kationen von Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium oder Ammonium und Anionen von Fluorid, Chlorid, Bromid, Jodid, Sulfat, Sulfit, Nitrat, Nitrit, Phosphat, Hydrogenphosphat, Dihydrogenphosphat, Acetat, Carbonat oder Bicarbonat oder Kombinationen davon. Vorzugsweise ist das ionenhaltige Fluid eine wässrige Lösung eines Alkalimetallhalogenides, wie beispielsweise Natriumchlorid.Preferably the ionic fluid is an aqueous solution of cations of lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium or ammonium and anions of fluoride, chloride, bromide, iodide, sulfate, sulfite, nitrate, nitrite, phosphate, hydrogen phosphate, dihydrogen phosphate, acetate, carbonate or bicarbonate or combinations thereof. Preferably, the ionic fluid is an aqueous solution of an alkali metal halide such as sodium chloride.
Obwohl ein beliebiges geladene Spezies enthaltendes Fluid verwendet werden kann, versteht es sich, dass die lonenkonzentration die von der Vorrichtung erzeugte Leistung beeinflusst. Die Wahl des ionenhaltigen Fluids ist jedoch nicht anderweitig eingeschränkt. Although any fluid containing charged species can be used, it is understood that the ion concentration affects the power produced by the device. However, the choice of ion-containing fluid is not otherwise limited.
Die Erfinder haben erkannt, dass graphenbasierte Nanogeneratoren, die mechanische Energie aus ionischen Flüssigkeiten gewinnen können, nicht zuverlässig und/oder langlebig sind. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass der Kontakt zwischen dem Tröpfchen der ionischen Flüssigkeit und der Oberfläche der Graphenfolien die Oberfläche verändert, was zu einem leichteren Benetzen des Films führt. Als Ergebnis beginnt sich die elektrische Leistungsabgabe mit der Zeit zu verschlechtern, wobei die Erfinder entdeckt haben, dass die elektrische Leistungsabgabe in ungefähr 30 Minuten unter einen nicht mehr messbaren Wert fallen kann.The inventors recognized that graphene-based nanogenerators capable of harvesting mechanical energy from ionic liquids are not reliable and/or durable. Without wishing to be bound by theory, it is believed that the contact between the ionic liquid droplet and the surface of the graphene sheets changes the surface, resulting in easier wetting of the film. As a result, electrical output begins to degrade over time, and the inventors have discovered that electrical output can fall below an unmeasurable level in approximately 30 minutes.
Vorteilhafterweise haben die Erfinder festgestellt, dass es durch Bereitstellen einer dünnen Polymerfilmbeschichtung auf der Graphenoberfläche möglich ist, diese physisch von der Umgebung zu isolieren, während es dem ionenhaltigen Fluid immer noch möglich ist, die Graphenoberfläche elektrisch zu beeinflussen. Infolgedessen kann die elektrische Leistungsabgabe weit über einen Zeitraum von 30 Minuten hinaus aufrechterhalten werden, ohne dass sich die Spitzenleistung im Vergleich zu unbeschichtetem Graphen signifikant verringert. Insbesondere haben die Erfinder eine Leistungsfähigkeit ohne Spannungsverschlechterung über 180 Minuten hinaus, aufgrund des Vorhandenseins der hierin beschriebenen Polymerschicht, nachgewiesen. Dementsprechend wird jede Oberfläche der Graphenfolie mit einer Polymerbeschichtung mit einer Dicke von weniger als 100 nm versehen. Vorzugsweise hat die Polymerbeschichtung eine Dicke von 1 nm bis 7 nm, vorzugsweise etwa 5 nm. Es wurde festgestellt, dass eine solche Polymerdicke dem Graphen einen angemessenen Schutz vor der Umgebung bietet, ohne die stromerzeugenden Eigenschaften nachteilig zu beeinflussen.Advantageously, the inventors have found that by providing a thin polymer film coating on the graphene surface, it is possible to physically isolate it from the environment while still allowing the ion-containing fluid to electrically affect the graphene surface. As a result, electrical power output can be sustained well beyond 30 minutes without a significant reduction in peak power compared to uncoated graphene. In particular, the inventors have demonstrated performance without voltage degradation beyond 180 minutes due to the presence of the polymer layer described herein. Accordingly, each surface of the graphene foil is provided with a polymer coating with a thickness of less than 100 nm. Preferably, the polymer coating has a thickness of 1 nm to 7 nm, preferably about 5 nm. Such a polymer thickness has been found to provide the graphene with adequate protection from the environment without adversely affecting the current generating properties.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Polymerbeschichtung Poly(methylmethacrylat) (PMMA), Polyethylenterephthalat (PET), Polyphenylenetherethersulfon (PPEES), Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylenoxid), Polyurethan, Polyethylen, Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder Poly(tetrafluorethylen) (PTFE). Besonders bevorzugt sind PMMA, PPEES und Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylenoxid).In a preferred embodiment, the polymer coating comprises poly(methyl methacrylate) (PMMA), polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene ether ether sulfone (PPEES), poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide), polyurethane, polyethylene, polyvinylidene fluoride (PVDF) and/or or poly(tetrafluoroethylene) (PTFE). PMMA, PPEES and poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) are particularly preferred.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, dass die Polymerbeschichtung als Passivierungsschicht wirkt und demzufolge elektrisch isolierend ist. In anderen Ausführungsformen wird bevorzugt, dass die Polymerbeschichtung dotiert ist. Mit anderen Worten, die Polymerbeschichtung kann einen organisch-chemischen Dotierstoff umfassen, der das Polymer durch Entfernen oder Hinzufügen von Elektronen von bzw. zu dem Polymer oxidieren oder reduzieren kann. Das Polymer kann n-dotiert sein, was bedeutet, dass ein reduzierender Dotierstoff hinzugefügt ist, der Elektronen in die Polymerbeschichtung einbringt. Vorzugsweise ist die Polymerbeschichtung p-dotiert, was bedeutet, dass ein oxidierender Dotierstoff hinzugefügt ist, der Elektronenfehlstellen (Löcher) in die Polymerbeschichtung einbringt. Die Erfinder haben festgestellt, dass das Dotieren des Polymerfilms mit einem Dotierstoff zu einer Steigerung der Energieproduktion des elektrischen Generators um bis zum Doppelten im Vergleich zu einem elektrischer Generator mit einer undotierten Polymerbeschichtung führt. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, das Einbringen eines Dotierstoffes in die Polymerbeschichtung führt zu einer Erhöhung der Ladungsträgerdichte der Polymerbeschichtung, wodurch eine stärkere elektrische Beeinflussung der Strömung des ionenhaltigen Fluids auf der Graphenfolie ermöglicht wird. Beispiele für Dotierstoffe vom p-Typ sind 7,7,8,8-Tetracyanochinodimethan (TCNQ), 2,3,5,6-Tetrafluor-7,7,8,8-tetracyanochinodimethan (F4TCNQ), Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM), Bis(ethylendithio)tetrathiafulvalen (BEDT-TTF) und NDI(CN)4 (Tetracyanonapthalendiimid). In einer am stärksten bevorzugten Ausführungsform ist die Polymerbeschichtung mit F4TCNQ dotiert.In some embodiments of the present invention, it is preferred that the polymer coating acts as a passivation layer and is therefore electrically insulating. In other embodiments it is preferred that the polymer coating is doped. In other words, the polymer coating can include an organic chemical dopant that can oxidize or reduce the polymer by removing or adding electrons from or to the polymer, respectively. The polymer can be n-doped, meaning that a reducing dopant is added that donates electrons to the polymer coating. Preferably, the polymer coating is p-doped, which means that an oxidizing dopant is added, which introduces electron vacancies (holes) in the polymer coating. The inventors have found that doping the polymer film with a dopant results in up to a two-fold increase in power production from the electric generator compared to an electric generator with an undoped polymer coating. Without wishing to be bound by theory, the incorporation of a dopant into the polymer coating results in an increase in the charge carrier density of the polymer coating, thereby enabling greater electrical manipulation of the flow of the ion-containing fluid on the graphene sheet. Examples of p-type dopants are 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (TCNQ), 2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (F 4 TCNQ), phenyl-C61- Butyric acid methyl ester (PCBM), bis(ethylenedithio)tetrathiafulvalene (BEDT-TTF) and NDI(CN) 4 (tetracyanonapthalenediimide). In a most preferred embodiment, the polymer coating is doped with F 4 TCNQ.
Der Dotierstoff kann in einer Menge von mehr als etwa 0,1 Gew.-% bezogen auf das Gewicht der Polymerbeschichtung, vorzugsweise mehr als etwa 1 Gew.-%, stärker bevorzugt mehr als etwa 10 Gew.-% und am stärksten bevorzugt mehr als etwa 20 Gew.-%, zugegeben werden. Der Dotierstoff kann in einer Menge von weniger als 80 Gew.-% bezogen auf das Gewicht der Polymerbeschichtung, vorzugsweise weniger als 60 Gew.-%, stärker bevorzugt weniger als 50 Gew.-% und am stärksten bevorzugt weniger als 40 Gew.- %, zugegeben werden.The dopant can be present in an amount greater than about 0.1% by weight based on the weight of the polymer coating, preferably greater than about 1% by weight, more preferably greater than about 10% by weight, and most preferably greater than about 20% by weight. The dopant can be present in an amount of less than 80% by weight based on the weight of the polymer coating, preferably less than 60% by weight, more preferably less than 50% by weight and most preferably less than 40% by weight. , to be admitted.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Erzeugen eines elektrischen Stroms bereitgestellt, wobei das Verfahren das Leiten einer Strömung eines ionenhaltigen Fluids über die Oberfläche von mindestens einer der einen oder mehreren Graphenfolie(n) des elektrischen Generators, wie hierin beschrieben, umfasst.According to a second aspect, there is provided a method of generating an electrical current, the method comprising directing a flow of an ion-containing fluid over the surface of at least one of the one or more graphene foil(s) of the electrical generator as described herein.
Obwohl der hier beschriebene elektrische Generator eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik bietet, kann die elektrische Leistungsabgabe des elektrischen Generators im Laufe der Zeit noch immer etwas abnehmen. Vorteilhafterweise haben die Erfinder erkannt, dass der elektrische Generator durch Waschen und/oder Trocknen der Polymerbeschichtung regeneriert werden kann. Dementsprechend umfasst das Verfahren zum Erzeugen eines elektrischen Stroms in einer bevorzugten Ausführungsform ferner das intermittierende Regenerieren des elektrischen Generators durch Waschen und/oder Trocknen der Polymerbeschichtung von mindestens einer der einen oder der mehreren Graphenfolie(n).Although the electric generator described herein offers an improvement over the prior art, the electric power output of the electric generator may still decrease somewhat over time. Advantageously, the inventors have recognized that the electrical generator can be regenerated by washing and/or drying the polymeric coating. Accordingly, in a preferred embodiment, the method of generating an electric current further comprises intermittently regenerating the electric generator by washing and/or drying the polymer coating of at least one of the one or more graphene sheets.
Die Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus einer Strömung eines ionenhaltigen Fluids kann so angeordnet werden, dass sie Strom aus einer Strömung von Regenwasser als ionenhaltigem Fluid erzeugt. Beispiele für eine derartige Vorrichtung schließen eine Oberfläche eines Dachziegels, einer Wandplatte, einer Fahrzeugkarosserieplatte, eines Abwasserkanals ein. Bei mehreren Vorrichtungen sind das eine oder die mehreren Arrays optisch transparent. Beispiele für eine derartige Vorrichtung schließen ein, dass das eine oder die mehreren Arrays eine Oberfläche eines Fensters oder eines Solarmoduls bilden.The device for generating electrical energy from a flow of ion-containing fluid can be arranged to generate electricity from a flow of rainwater as the ion-containing fluid. Examples of such a device include a surface of a roof tile, a wall panel, a vehicle body panel, a sewer. In multiple devices, the one or more arrays are optically transparent. Examples of such a device include the one or more arrays forming a surface of a window or a solar panel.
Bei mehreren Vorrichtungen sind das eine oder die mehreren Arrays so angeordnet, dass sie Elektrizität aus einer Meerwasserströmung als ionenhaltiges Fluid erzeugen. Beispiele für eine derartige Vorrichtung schließen ein, dass die Arrays eine Oberfläche eines Bootsrumpfs oder einen Gezeitenstromgenerator (wie beispielsweise einen Kanal oder eine Platte innerhalb eines Gezeitenstromgenerators) bilden.In multiple devices, the one or more arrays are arranged to generate electricity from a seawater current as an ion-containing fluid. Examples of such a device include the arrays forming a surface of a boat hull or a tidal current generator (such as a channel or plate within a tidal current generator).
In mehreren Vorrichtungen sind das eine oder die mehreren Arrays so angeordnet, dass sie Elektrizität aus einer Abfallfluidströmung erzeugen, wobei die Arrays vorzugsweise eine Oberfläche eines sanitärkeramischen Erzeugnisses oder einen Kanal für Abwasser oder landwirtschaftliche Abflüsse bilden. Andere geeignete Abwasserabflusskanäle umfassen den Abfluss von Industrieanlagen (wie Chemieanlagen, Nuklear-, Pharmazie-, Molkereianlagen usw.).In several devices, the one or more arrays are arranged to generate electricity from a waste fluid flow, the arrays preferably forming a surface of a sanitary ware or a channel for sewage or agricultural runoff. Other suitable sewage discharge channels include discharge from industrial plants (such as chemical, nuclear, pharmaceutical, dairy, etc.).
Figurenlistecharacter list
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden nicht einschränkenden Figuren näher beschrieben, in denen gilt:
-
1 zeigt einen Querschnitt eines elektrischen Generators nach dem Stand der Technik. -
2 zeigt einen beispielhaften elektrischen Generator gemäß der vorliegenden Offenbarung. -
3 zeigt ein Diagramm, das die Spannung veranschaulicht, die über die Zeit erzeugt wird, wenn nach 15 Minuten regelmäßige Tröpfchen eines ionischen Fluids auf eine mit PMMA:F4TCNQ beschichtete Graphenfolie auftreffen.
-
1 Figure 1 shows a cross-section of a prior art electrical generator. -
2 FIG. 1 shows an exemplary electric generator according to the present disclosure. -
3 Figure 12 shows a graph illustrating the voltage generated over time when regular droplets of an ionic fluid impinge on a graphene sheet coated with PMMA:F 4 TCNQ after 15 minutes.
Der elektrische Generator (101) nach dem Stand der Technik wird durch Abscheiden von Graphen auf einer Kupferfolie mit anschließendem Beschichten der Graphenschicht (104) mit einer Polymerbeschichtung (103) wie PMMA oder PET und Anbringen eines aufgeschmolzenen Siliciumdioxidsubstrats (102) an die Polymerbeschichtung (103) erhalten. Die Kupferfolie wird dann weggeätzt, um die freiliegende Graphenschicht (104) zu hinterlassen, auf der elektrische Kontakte bereitgestellt werden können.The prior art electrical generator (101) is made by depositing graphene on a copper foil, then coating the graphene layer (104) with a polymer coating (103) such as PMMA or PET and attaching a fused silica substrate (102) to the polymer coating (103 ) receive. The copper foil is then etched away to leave the exposed graphene layer (104) on which electrical contacts can be provided.
Der Generator (201) umfasst eine Graphenfolie (204), die eine Graphenschichtstruktur aufweist, die fünf einzelne Graphenschichten (205) auf der Oberfläche des Substrats umfasst, die durch Abscheidung von Graphen durch MOCVD gewonnen werden.The generator (201) comprises a graphene foil (204) having a graphene layered structure comprising five individual graphene layers (205) on the surface of the substrate obtained by depositing graphene by MOCVD.
Die Graphenfolie (204) umfasst einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt (206), die Graphenfolie (204) weist eine Oberfläche auf, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt (206) erstreckt. Die Oberfläche der Graphenfolie ist mit einer Polymerbeschichtung (207) versehen. Die Polymerbeschichtung wird vorzugsweise durch Schleuderbeschichtung bereitgestellt. Die sich zwischen den elektrischen Kontakten erstreckende Oberfläche ist so angeordnet, dass sie mit der Strömung eines ionenhaltigen Fluids (208), wie etwa einer wässrigen Natriumchloridlösung, in Kontakt tritt. Der Generator (201) ist in der Lage, bei Kontakt der Oberfläche mit einer Strömung eines ionenhaltigen Fluids einen elektrischen Strom zu erzeugen, wenn er an einen Stromkreis angeschlossen ist. Der Generator (201) kann eine angemessene elektrische Leistungsabgabe mehr als 30 Minuten aufrechterhalten, da die Polymerbeschichtung (207) die Graphenfolie (204) physisch von der Strömung des ionenhaltigen Fluids (208) isoliert.The graphene foil (204) comprises a first and a second electrical contact (206), the graphene foil (204) has a surface which extends between the first and the second electrical contact (206). The surface of the graphene foil is provided with a polymer coating (207). The polymer coating is preferably provided by spin coating. The surface extending between the electrical contacts is arranged to contact the flow of an ion-containing fluid (208), such as an aqueous sodium chloride solution. The generator (201) is capable of generating an electrical current upon contact of the surface with a flow of ion-containing fluid when connected to an electrical circuit. The generator (201) can maintain adequate electrical output for more than 30 minutes because the polymer coating (207) physically isolates the graphene sheet (204) from the flow of ion-containing fluid (208).
Beispieleexamples
Eine Graphenfolie wurde direkt einem Exsikkator entnommen, in dem sie seit dem Züchten gelagert wurde. Diese wurde zu drei 15 mm x 30 mm großen Chips zugeschnitten, die dann entlang der kurzen Kante mit Ag-Lack lackiert wurden. Einer dieser Chips (mit B bezeichnet) wurde 60 Sekunden lang mit PMMA in Anisol (0,5 % Sol) bei 10.000 U/min schleuderbeschichtet, mit anschließendem Tempern für 60 Minuten auf der Heizplatte bei 125 °C (Anzeige 160 °C). Bei einem anderen Chip wurden die gleichen Schleuderbeschichtungsbedingungen verwendet, jedoch mit einer Hybridlösung von 10 mg/ml F4TCNQ:PMMA 0,52 Gew.-% (mit C gekennzeichnet).A graphene sheet was taken directly from a desiccator in which it had been stored since it was grown. This was cut into three 15mm x 30mm chips which were then varnished with Ag varnish along the short edge. One of these chips (designated B) was spin coated with PMMA in Anisole (0.5% sol) at 10,000 rpm for 60 seconds, followed by hot plate annealing at 125°C for 60 minutes (display 160°C). Another chip used the same spin coating conditions but with a hybrid solution of 10 mg/ml F 4 TCNQ:PMMA 0.52 wt% (labeled C).
Der Kontaktwiderstand zwischen zwei Elektroden bei Montage auf einer Leiterplatte betrug für die blanke Probe (mit A gekennzeichnet) 21,62 kOhm. Diese Probe wurde dann über 30 Minuten unter Tröpfchenfluss (0,6 M NaCI-Sol, ~1 Tropfen pro Sekunde, 3,3 kΩ Widerstand) getestet, was zu einem vollständigen Abbau der Probe führte. Dieselbe Behandlung wurde über 60 Minuten bei den Proben B und C wiederholt, die Kontaktwiderstände von 5,04 kOhm bzw. 3,80 kOhm für B und C aufwiesen:
Wie zu sehen ist, bleiben bei den erfindungsgemäßen Beispielen B und C die erzeugte Spannung und Leistung auf akzeptablen Niveaus, während diese bei der unbeschichteten Probe A über die Zeit so abfallen, dass nach 30 Minuten keine Leistung mehr erzeugt wird. Die erfindungsgemäßen Beispiele B und C waren nicht nur langlebig, sondern wurden außerdem durch Waschen und Trocknen regeneriert und wieder auf ihre hohe Ausgangsleistung gebracht.As can be seen, for inventive examples B and C, the voltage and power generated remain at acceptable levels, while for the uncoated sample A, these drop over time such that power is no longer generated after 30 minutes. In addition to being durable, Examples B and C of the present invention were regenerated and restored to their high output levels by washing and drying.
Alle Prozentangaben hierin beziehen sich auf das Gewicht, sofern nicht anders angegeben.All percentages herein are by weight unless otherwise noted.
Wie hierin verwendet, schließt die Singularform von „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ Verweise auf den Plural mit ein, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes gebietet.As used herein, the singular form of "a", "an" and "the" includes plural references unless the context clearly dictates otherwise.
Die vorstehende detaillierte Beschreibung dient der Erläuterung und Veranschaulichung und soll den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht einschränken. Viele Variationen der hierin veranschaulichten gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen werden einem Durchschnittsfachmann offensichtlich sein und bleiben innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente.The foregoing detailed description is provided for purposes of explanation and illustration, and is not intended to limit the scope of the appended claims. Many variations on the presently preferred embodiments illustrated herein will be apparent to those of ordinary skill in the art and remain within the scope of the appended claims and their equivalents.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2017/029470 [0003, 0004, 0026, 0028]WO 2017/029470 [0003, 0004, 0026, 0028]
- GB 2572330 [0007]GB2572330 [0007]
- CN 102307024 [0008]CN102307024 [0008]
- US 8519596 [0009]US8519596 [0009]
- CN 108847779 [0010]CN108847779 [0010]
- GB 1804790 [0013]GB1804790 [0013]
Claims (14)
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB1910194.8A GB2585845B (en) | 2019-07-16 | 2019-07-16 | An electrical generator and method of generating an electrical current |
| GB1910194.8 | 2019-07-16 | ||
| PCT/EP2020/069091 WO2021008940A1 (en) | 2019-07-16 | 2020-07-07 | An electrical generator and method of generating an electrical current |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE112020003394T5 true DE112020003394T5 (en) | 2022-06-15 |
Family
ID=67700335
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE112020003394.5T Withdrawn DE112020003394T5 (en) | 2019-07-16 | 2020-07-07 | Electrical generator and method of generating an electrical current |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20220271686A1 (en) |
| CN (1) | CN114080750A (en) |
| DE (1) | DE112020003394T5 (en) |
| GB (1) | GB2585845B (en) |
| WO (1) | WO2021008940A1 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2603905B (en) * | 2021-02-17 | 2023-12-13 | Paragraf Ltd | A method for the manufacture of an improved graphene substrate and applications therefor |
| US11942877B2 (en) * | 2022-04-29 | 2024-03-26 | City University Of Hong Kong | Triboelectric generator, biomechanical energy harvester, and method of making triboelectric material |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102307024A (en) | 2011-06-21 | 2012-01-04 | 南京航空航天大学 | Graphene-based fluid power generating device for fluctuation sensing device |
| US8519596B1 (en) | 2013-01-23 | 2013-08-27 | K-Technology Usa, Inc. | Graphene triboelectric charging device and a method of generating electricity by the same |
| WO2017029470A1 (en) | 2015-08-14 | 2017-02-23 | Simon Charles Stewart Thomas | A method of producing a two-dimensional material |
| CN108847779A (en) | 2018-06-20 | 2018-11-20 | 合肥工业大学 | A kind of optical drive flexible friction nano generator and preparation method thereof |
| GB2572330A (en) | 2018-03-26 | 2019-10-02 | Paragraf Ltd | Devices and methods for generating electricity |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5356744A (en) * | 1989-12-27 | 1994-10-18 | Xerox Corporation | Conductive layers using charge transfer complexes |
| US20100218801A1 (en) * | 2008-07-08 | 2010-09-02 | Chien-Min Sung | Graphene and Hexagonal Boron Nitride Planes and Associated Methods |
| WO2012112746A1 (en) * | 2011-02-16 | 2012-08-23 | Wayne State University | Biocompatible graphene sensor |
| US8906245B2 (en) * | 2012-03-21 | 2014-12-09 | Richard S. PLOSS, JR. | Material trivial transfer graphene |
| KR101594138B1 (en) * | 2014-02-13 | 2016-02-15 | 인제대학교 산학협력단 | Electrogenerated Ionic Polymer Conductive Film Composite and method of manufacturing the same |
| WO2016057109A2 (en) * | 2014-08-11 | 2016-04-14 | Vorbeck Materials Corp. | Graphene-based thin conductors |
| CN105553324A (en) * | 2016-02-29 | 2016-05-04 | 电子科技大学 | Flexible transparent friction electric generator and preparation method thereof |
| US20180130569A1 (en) * | 2016-11-08 | 2018-05-10 | The Regents Of The University Of California | Graphene-polymer nanocomposites incorporating chemically doped graphene-polymer heterostructure for flexible and transparent conducting films |
-
2019
- 2019-07-16 GB GB1910194.8A patent/GB2585845B/en not_active Expired - Fee Related
-
2020
- 2020-07-07 DE DE112020003394.5T patent/DE112020003394T5/en not_active Withdrawn
- 2020-07-07 CN CN202080049522.4A patent/CN114080750A/en active Pending
- 2020-07-07 US US17/625,003 patent/US20220271686A1/en not_active Abandoned
- 2020-07-07 WO PCT/EP2020/069091 patent/WO2021008940A1/en active Application Filing
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102307024A (en) | 2011-06-21 | 2012-01-04 | 南京航空航天大学 | Graphene-based fluid power generating device for fluctuation sensing device |
| US8519596B1 (en) | 2013-01-23 | 2013-08-27 | K-Technology Usa, Inc. | Graphene triboelectric charging device and a method of generating electricity by the same |
| WO2017029470A1 (en) | 2015-08-14 | 2017-02-23 | Simon Charles Stewart Thomas | A method of producing a two-dimensional material |
| GB2572330A (en) | 2018-03-26 | 2019-10-02 | Paragraf Ltd | Devices and methods for generating electricity |
| CN108847779A (en) | 2018-06-20 | 2018-11-20 | 合肥工业大学 | A kind of optical drive flexible friction nano generator and preparation method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB2585845B (en) | 2021-08-25 |
| GB201910194D0 (en) | 2019-08-28 |
| CN114080750A (en) | 2022-02-22 |
| GB2585845A (en) | 2021-01-27 |
| WO2021008940A1 (en) | 2021-01-21 |
| US20220271686A1 (en) | 2022-08-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE102012209887B4 (en) | Chipping method for forming a multiple photovoltaic structure | |
| EP2329528B1 (en) | Heterostructure solar cell and method for its fabrication | |
| EP3378104B1 (en) | Solar cell having a plurality of absorbers connected to one another by means of charge-carrier-selective contacts | |
| DE2538325C2 (en) | Process for the production of semiconductor components | |
| EP2817829B1 (en) | Method for producing a solar cell | |
| DE112018000566B4 (en) | METHOD FOR PRODUCING A SEMICONDUCTOR STRUCTURE COMPRISING A QUANTUM POINT WITH COATING, CORRESPONDING SEMICONDUCTOR STRUCTURE AND LIGHTING DEVICE | |
| DE112008003977T5 (en) | Solar cell with a quantum dot nanowire arrangement and a corresponding manufacturing method | |
| DE112012003057T5 (en) | Process for stabilizing hydrogenated amorphous silicon and amorphous hydrogenated silicon alloys | |
| DE102006060366B4 (en) | Process for the preparation of quantum dots covered by a matrix | |
| EP1997156B1 (en) | Method for fabricating a semiconductor component with a specifically doped surface region using out-diffusion, and corresponding semiconductor component | |
| DE2742886A1 (en) | PHOTOCHEMICAL DIODE AND ITS USES | |
| DE102011007625A1 (en) | Hazy zinc oxide layer for molded CIGS / CIS solar cells | |
| DE112011102747T5 (en) | Doped graphene thin films with reduced sheet resistance | |
| DE112020003394T5 (en) | Electrical generator and method of generating an electrical current | |
| DE112012004882B4 (en) | Improvement of metal contacts to Group IV semiconductors by insertion of interfacial atomic monolayers | |
| DE102012104048A1 (en) | Use of metal phosphorus in the metallization of photoelements and process for their preparation | |
| DE112020003405T5 (en) | Method of making a polymer-coated graphene layered structure and graphene layered structure | |
| DE112012002564T5 (en) | Ohmic contact between thin-film solar cell and transparent carbon-based electrode | |
| DE112010005699T5 (en) | Highly concentrated P-doped quantum dot solar cell obtained by actively doping INP and production method thereof | |
| DE112012005397T5 (en) | Process for the preparation of dilute nitride semiconductor materials for use in photoactive devices and related structures | |
| DE112022001099T5 (en) | METHOD FOR PRODUCING AN IMPROVED GRAPHENE SUBSTRATE AND APPLICATIONS THEREOF | |
| EP3987577A1 (en) | Perovskite multi-junction solar cell having multi-layer system as connecting layer | |
| DE112012001857T5 (en) | Tandem solar cell with improved tunnel junction | |
| DE112019003770T5 (en) | Photosensitive device and method for their manufacture | |
| DE102016116192B3 (en) | Photovoltaic module with integrated series-connected stacked solar cells and process for its production |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |